Qu’ils soient électriques, autonomes ou autres, les véhicules modernes ont besoin d’énergie, et pas seulement pour arriver à destination. L’intelligence intégrée est désormais disponible dans des voitures au prix abordable, et tous ces systèmes intelligents doivent puiser leur énergie quelque part.
Avec des Systèmes Avancés d'Aide à la Conduite (ADAS), des diagnostics optimisés par logiciel et des systèmes de divertissement désormais inclus sur la plupart des véhicules, le véhicule moderne est souvent décrit comme un « serveur sur roues ». Il pourrait également être décrit comme un cluster de points de terminaison, riche en mémoire et en stockage, et équipé de capteurs, de processeurs et d’une connectivité réseau qui partagent des données à l’intérieur comme à l’extérieur du véhicule. Plus le véhicule est autonome, plus l’intelligence embarquée joue un rôle important et donc, plus il y a de composants pour que les divers éléments intelligents interagissent en harmonie, avec rapidité et constance.
Tous ces composants doivent remplir certaines exigences en tant que dispositifs autonomes, notamment en termes de fiabilité et de consommation d’énergie, tout en créant une synergie pour fonctionner comme un système complet, sans se disputer les ressources d’une manière qui compromettrait la performance et la sécurité fonctionnelles du véhicule.
Une plus grande autonomie est indissociable d’un plus grand nombre de composants puisant de l’énergie
Aujourd’hui, la plupart des nouveaux véhicules sont équipés des ADAS, et il est important de se rappeler que « systèmes » s’écrit au pluriel : il ne s’agit pas d’un seul appareil mais bien d’un ensemble d’appareils.
À moins que vous ne conduisiez un véhicule ancien, votre voiture dispose d’ADAS intégrés, lesquels suivent les six niveaux d’automatisation de la conduite. Au niveau 0, tout est réalisé manuellement. Le niveau 1 fournit une aide à la conduite, bien souvent sous la forme d’un régulateur de vitesse. Le niveau 2 propose une automatisation partielle de la direction et de l’accélération, mais le conducteur doit toujours être vigilant à l’environnement extérieur. Le niveau 3 et les niveaux suivants augmentent le rôle de l’automatisation qui commence à surveiller l’environnement. À l’heure actuelle, nous tentons seulement d’atteindre le niveau 3. Les niveaux 4 et 5 sont encore loin à l’horizon.
Pour la plupart des conducteurs, les ADAS de la voiture se caractérisent par des alertes de recul qui annoncent la présence d’un objet, des caméras arrière qui vous évitent de vous tordre le cou pour vérifier que la voie est libre, et un régulateur de vitesse en série. Ces fonctions requièrent une puissance de calcul, de la mémoire, et une connectivité pour transférer les données de la caméra sur l’écran. Plus important encore, ces fonctions doivent être réactives et démarrer rapidement. La majorité des composants des ADAS sont passifs et contribuent à une fiabilité générale. Ils incluent des condensateurs auto-régénérables qui prennent en charge des alimentations électriques parfaitement sécurisées et des régulateurs dans les circuits automobiles.
Plus la fonction est intelligente, plus les composants sont actifs, intégrant ainsi des caméras, des capteurs, et divers affichages qui dépendent d’une puissance de calcul, d’une mémoire et d’un stockage de données, lesquels à leur tour consomment de l’énergie et génèrent de la chaleur. Il faut donc équilibrer la consommation d’énergie et gérer la dissipation de chaleur.
Plus que des témoins lumineux
Tous les véhicules intelligents ne sont pas uniquement centrés sur le conducteur. Le témoin de « contrôle du moteur » a évolué vers des systèmes de diagnostic embarqué (OBD), qui comme les ADAS, sont aussi en série sur une grande variété de véhicules, y compris sur les voitures familiales ou les vans commerciaux standard. Derrière les témoins du tableau de bord se trouvent des systèmes toujours plus complexes qui surveillent en permanence le bon fonctionnement du véhicule et qui enregistrent des données. Les mécaniciens d’aujourd’hui sont tout aussi susceptibles de connecter un ordinateur au véhicule pour établir un diagnostic que de plonger la tête sous le capot. Les systèmes OBD sont désormais un aspect clé de la maintenance et de la réparation du véhicule.
Tout comme les ADAS, les systèmes OBD sollicitent un ensemble complet de composants et de pièces électroniques qui puisent tous de l’énergie. Au cœur de tout système OBD se trouve l’unité de commande électronique (ECU) qui rassemble les données de plusieurs capteurs via le véhicule et les utilisent pour contrôler des parties du véhicule, tels que les injecteurs de carburant, ou pour vérifier les problèmes.
Tout comme les ADAS utilisent des capteurs pour surveiller l’environnement du véhicule, le système OBD utilise des capteurs via le véhicule pour surveiller l’électronique, le châssis et le moteur. Toutes les données ne sont bien sûr pas enregistrées, car il serait alors impossible de toutes les stocker. À la place, le système n’enregistre que les informations qui divergent des paramètres normaux sous la forme d’un code de défaut (DTC). Un code de défaut incitera l’ECU à envoyer un signal pour allumer le témoin indiquant le problème : il s’agit en quelque sorte d’un contrôle du moteur plus intelligent. Les indicateurs actuels offrent des nuances : vous pouvez donc savoir en amont si le problème est urgent ou peut attendre.
Au-delà des diagnostics du véhicule, les systèmes OBD peuvent aider à tester les émissions et à gérer la télématique de flottes entières de véhicules commerciaux, en rassemblant des informations sur l’efficacité du carburant, le comportement du conducteur ainsi que des diagnostics à distance qui orientent les plans de maintenance préventive.
Un trajet divertissant consomme davantage d’énergie
Les systèmes ADAS et OBD ne représentent que la moitié de l’infodivertisssement disponible dans la plupart des véhicules actuels. Les systèmes de divertissement ne se contentent plus de proposer un lecteur CD plutôt qu’une radio. En plus des GPS intégrés, de plus en plus de voitures incluent la radio satellite de même que la connectivité requise pour des services d’assistance sur le bas côté, tels que l’Internet On-Star et passager, disponible sur souscription. Les plus grands véhicules familiaux, tels que les minivans, peuvent même proposer des écrans affichant du contenu vidéo pour divertir les plus jeunes passagers durant les longs trajets. Votre voiture peut ainsi stocker de la musique et des vidéos, ce qui vous évite de devoir brancher votre téléphone pour accéder à vos ressources multimédia.
Tous ces systèmes expliquent pourquoi il est moins pertinent de parler de serveur sur roues que de cluster de points de terminaison pour se référer au véhicule moderne. Les points de terminaison doivent évidemment être connectés pour activer un appareil de stockage, une caméra ou un signal de diagnostic. Cette connectivité assure les échanges de données tant à l’intérieur du véhicule que vers un récepteur extérieur, consommant ainsi de l’énergie.
La connectivité stimule la consommation d’énergie
Pour que des liaisons soient établies entre les divers éléments du système ADAS et OBD, les condensateurs et les inducteurs RF sont de plus en plus souvent remplacés par des inducteurs à décharge électrostatique. En effet, ces derniers renforcent les liaisons RF et l’efficacité des capteurs via des conceptions ADAS. Parallèlement, des condensateurs d’intégration à impulsion peuvent être utilisés avec les modules de caméra IR, stéréo, de vision et de maintien de la trajectoire pour améliorer la fiabilité du système.
La majeure évolution en matière de connectivité du véhicule reste pourtant la 5G, qui contribue largement à l’émergence des véhicules intelligents, et en particulier à leur fonctionnement autonome à l’avenir. La 5G permet d’accéder aux données télématiques du véhicule pour gérer et assurer la maintenance de la flotte. Plus la collecte de données est rapide et simple, plus le nombre d’informations augmente, ce qui constitue un avantage certain pour les concepteurs de systèmes automobiles, les propriétaires de flotte et les conducteurs.
La connectivité améliore également les ADAS, car les données rassemblées par le véhicule peuvent être complétées par d’autres données issues de sources externes, y compris du cloud et d’autres véhicules. De plus haut débits de 5G seront également requis pour activer entièrement la conduite autonome et garantir la sécurité nécessaire en vue du partage des données d’inférence de l’IA et des mises à jour logicielles en temps réel, le cas échéant. Les fonctionnalités de divertissement pour les passagers tireront également parti de la connectivité 5G pour accéder à du contenu disponible sur souscription, via le même équipement réseau, afin de proposer davantage de services de données sans compromettre la performance, la fiabilité ou la sécurité.
Les composants doivent trouver le parfait équilibre entre puissance et performance
Que ce soit en termes de puissance de calcul, de mémoire, de stockage ou de connectivité, la consommation d’énergie est une considération majeure à prendre en compte pour le transfert des données. Les processeurs, qui sont absolument nécessaires pour les tâches embarquées exigeantes en données, telles que la vision par ordinateur et le deep learning, devront gérer des flux d’informations et les traiter en temps réel en respectant des contraintes énergétiques spécifiques. Les processeurs de faible puissance peuvent également réduire, voire éliminer le besoin d’un refroidissement actif.
L’adoption des niveaux 2 et 3 des ADAS pour intégrer des fonctionnalités telles que le régulateur de vitesse adaptatif, le maintien de la trajectoire, le freinage automatique et les systèmes de surveillance du conducteur, accroît la demande en contenu de mémoire au sein du véhicule. Pour les petites quantités de données qui doivent être stockées dans les appareils du véhicule, les mémoires reconnues de type NOR flash offrent des capacités de démarrage rapide, qui activent les fonctionnalités dès que le conducteur tourne la clé de contact, sans consommer inutilement d’énergie.
Pour les fonctions qui doivent être traitées rapidement mais requièrent une capacité de mémoire supérieure, une mémoire à faible consommation d’énergie et à faible puissance telle que la LPDDR4X/5X peut offrir le parfait équilibre entre puissance et performance. Il faudra compter sur des modes de traitement plus avancés pour atteindre les niveaux 4 et 5 des véhicules autonomes, puisqu’ils exécutent des applications optimisées par l’IA exigeant ces deux types de mémoires. Pourtant, la mémoire GDDR6 reste la plus sollicitée pour certaines applications, car elle prend en charge plusieurs écrans au sein du véhicule.
La consolidation contribue à améliorer les profils énergétiques
Du fait du grand nombre d’appareils fonctionnant au sein du véhicule, les architectures risquent de devenir plus fragmentées. La tendance est donc à intégrer un contrôleur de domaine pour tous les ECU, tandis que les concepteurs automobiles tireront parti des ensembles multi-puces pour stocker la mémoire sur un seul boîtier optimisé. Une autre approche pour consolider les systèmes consiste à combiner le stockage des données des systèmes critiques et non critiques, grâce à suffisamment d’options intelligentes intégrées qui facilitent la hiérarchisation des opérations.
C’est là que NAND flash entre en jeu. Au lieu d’avoir plusieurs eMMC ou dispositifs flash UFS discrets, le stockage sera centralisé et consolidé en tirant parti de SSD pour stocker les informations essentielles à la conduite ainsi que le contenu de divertissement. Les systèmes d’infodivertissement avec des plans de route offrent une résolution toujours plus haute. À cet effet, il sera nécessaire d’intégrer une architecture qui combine puissance de calcul et mémoire, et augmente les capacités flash utiles, pour en particulier gérer le nombre croissant de données enregistrées.
Les mémoires émergentes offrant une plus faible consommation d’énergie sont prometteuses pour les applications automobiles. La MRAM embarquée fonctionne à la perfection dans un environnement automobile extrême alors que la FRAM gère avec fluidité les enregistrements de données non volatiles à haut débit dont les véhicules autonomes ont besoin.
Enfin, les profils de consommation d’énergie des processeurs, mémoires et systèmes de stockage sont un facteur clé dans le développement de véhicules plus intelligents, surtout à mesure que l’électrification s’intensifie. Tout comme la consommation de carburant est évaluée sur une voiture à moteur à combustion, la consommation d’énergie devient un indicateur de plus en plus important pour les véhicules intelligents, quelle que soit leur type d’alimentation.